基于ARM9TDMI的簡易直流電子負(fù)載設(shè)計

0 引言

現(xiàn)實生活中負(fù)載的形式較為復(fù)雜，多為一些動態(tài)負(fù)載，如：負(fù)載消耗的功率是時間的函數(shù);或者負(fù)載工作在恒定電流、恒定電阻;負(fù)載為瞬時短路負(fù)載;以及在儀表測試時，如果想對其輸出特性進(jìn)行可靠、全面且比較簡單、快捷的測試等。傳統(tǒng)負(fù)載不能模擬這些復(fù)雜的負(fù)載形式，關(guān)鍵在于不能完成自動測試，因此，要實現(xiàn)這些功能離不開電子負(fù)載。

目前的電子直流負(fù)載由于電路設(shè)計和電器元件選擇的不完善，導(dǎo)致其不能在較大電流和較高電壓下穩(wěn)定、快速、精確的完成測量任務(wù)。本系統(tǒng)采用32位的ARM9TDMI為主控芯片，同時借助外部16位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADSlll5的輔助電路，能夠保存更多的采樣數(shù)據(jù)，從而減小了采樣信號的失真度，實現(xiàn)了穩(wěn)定快速的實時測量。對硬件電路的設(shè)計，采用OP07與IRF640構(gòu)成的線性恒流源，并采用CSM025A、VSM025A來轉(zhuǎn)換電子負(fù)載側(cè)的較高電壓和較大電流，減小了在較高電壓和較大電流下對電子負(fù)載的影響。

1系統(tǒng)方案選擇

借助16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115將電壓電流回送至單片機(jī)。通過DA控制恒流源的電流，借助PID不斷修正電流至設(shè)定值，以保證電流的恒定且可調(diào)，達(dá)到步進(jìn)10mA的要求，并有過壓保護(hù)功能。在12864液晶上顯示實時電壓電流值和設(shè)定電流值及負(fù)載調(diào)整率，電子負(fù)載具有優(yōu)良的精度、穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)，并結(jié)合精確的軟件控制，實現(xiàn)了電源測量的快速和準(zhǔn)確。原理簡單，可行性高，成本低。

2理論分析與計算

2.1 電子負(fù)載及恒流電路的分析

通過16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADSlll5輸出電壓給恒流源電壓轉(zhuǎn)換恒定電流電路，由于運算放大器OP07是精度高、低漂移運算放大器，并且在10歐負(fù)載的情況下輸出電流能達(dá)到2 A。所以采用OP07和IRF640組成的一個Uin。電流串聯(lián)負(fù)反饋來實現(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換，具體電路如圖2所示。

原理圖中OP07與IRF640構(gòu)成負(fù)反饋，由運放的“虛短、虛斷”理論，因此MOS管IRF640的S極電位與TLV 5616輸入的電壓值相等。負(fù)載電流為：

IL正比于TLV5616的輸出電壓，與負(fù)載電阻Rw無關(guān)。當(dāng)MOS管IRF640導(dǎo)通后，流過負(fù)載電阻Rw的電流Iw=IL。若要求電流能從100mA～1000mA變化，考慮留有一定余量，最大電流為1.5A，當(dāng)設(shè)定DA輸出最大電壓為1.5 V時：

2.2電壓、電流的測量及精度分析

(1)A/D轉(zhuǎn)換器精度分析

為了能實現(xiàn)步進(jìn)1 mV的高精度要求，采用16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115，能夠以高達(dá)每秒860個的速度采樣數(shù)據(jù)，精度為1/2^n=1/2^16。

(2)D/A轉(zhuǎn)換器精度分析

為了能實現(xiàn)步進(jìn)1mA的精度要求，采用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLV5616，精度可達(dá)到1/2^n=1/2^12。

2.3 電源負(fù)載調(diào)整率的測試原理

直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率是指電源輸出電流從零至額定值變化時引起的輸出電壓變化率。負(fù)載調(diào)整率可以通過如下方式計算：當(dāng)電子負(fù)載電流為0時，被測電壓輸入記為U1。在達(dá)到額定電流I2(1A)時，被測電壓為U2，則電源負(fù)載調(diào)整率為：

3電路與程序設(shè)計

3.1恒流源方案設(shè)計

該恒流源輸出的電流與負(fù)載無關(guān)，通過使用兩塊運算放大器構(gòu)成比較放大環(huán)節(jié)，功率管構(gòu)成調(diào)整環(huán)節(jié)，利用晶體管平坦的輸出特性和深度的負(fù)反饋電路可以得到穩(wěn)定的恒流輸出和高輸出阻抗，實現(xiàn)了電壓一電流轉(zhuǎn)換。該線性恒流源穩(wěn)流效果較好。由于回路中會有大電流通過，因此功率問題也要考慮。針對這個問題，本設(shè)計選用了耗散功率較大的場效應(yīng)管IRF640，能承受大電流的康銅絲，保證了器件的安全。

3.2電壓電流檢測方案

系統(tǒng)所要檢測的信號采用霍爾傳感器法檢測，如被測電源設(shè)備向該簡易直流電子負(fù)載輸入的電壓，以及流進(jìn)負(fù)載的電流。電壓和電流檢測分別通過電壓霍爾、電流霍爾傳感器檢測，并經(jīng)過必要的輸出轉(zhuǎn)換電路后轉(zhuǎn)換為檢測信號。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，檢測信號經(jīng)過一個低通濾波器濾除噪聲，再送入單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換器中。其中電流霍爾的原理圖如3所示。

電壓采樣使用電壓霍爾傳感器VSM025A，其精度為0.7%。電流采樣使用電流霍爾傳感器CSM025A，其精度為0.5%。選定采樣電阻使電壓霍爾傳感器的輸入電壓在5～12 V變化時，使送給ADC的電壓在1～2.4 V之間變化。選定采樣電阻使電流霍爾傳感器的輸入電流從0.3～3.5 A變化時，送給ADC的電壓在0.2～2.4 V之間變化。

3.3 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

輔助電源可用線性電源及開關(guān)電源芯片，考慮到效率、穩(wěn)定性、帶負(fù)載能力，選用穩(wěn)壓芯片如LM2596、TLV2543，MC34063分別將+15 V輸入電壓穩(wěn)到+12 V，+5 V，一12 V，+3.3 V以方便ARM9TDMI、CSM025A、VSM025A、ADSlll5、TLV 5616等芯片供電使用，原理圖如圖4所示。

3.4過壓保護(hù)電路設(shè)計

如圖5所示，通過三極管$8050和繼電器，蜂鳴器構(gòu)成簡單的過壓保護(hù)電路。當(dāng)檢測到輸入電壓大于18 V時，開關(guān)器件三極管導(dǎo)通，輸人斷開，同時聲光報警。為保證可靠斷開還采用了軟件保護(hù)法，使得當(dāng)輸入電壓大于18 V時，單片機(jī)迫使UDAin。輸出為0。

3.5程序設(shè)計

軟件設(shè)計中特別為電路的過壓保護(hù)編寫了相應(yīng)的程序，當(dāng)負(fù)載電壓過大時會通過蜂鳴器和發(fā)光二極管來實現(xiàn)報警，同時也會自動啟動繼電器，實現(xiàn)過壓保護(hù)功能。具體的流程圖如圖6所示。

4測試方案與測試結(jié)果

測試所需儀器：高精度電壓表，型號DP59(1)一PDV20;高精度電流表，型號DP59(1)-PAA5;可變電阻Rw以及被測電源。當(dāng)該設(shè)備正常工作時，用高精度電壓表，電流分別測試該電子負(fù)載的電壓、電流。用電壓表直接并在被測電源兩端，記下相應(yīng)示數(shù)。將電流表串在被測電源和Rw之間，并記錄相應(yīng)電流值。將電壓電流值和顯示器顯示值進(jìn)行對比。改變Rw電阻值，計算相對應(yīng)的負(fù)載調(diào)整率。

4.2測試結(jié)果

測試結(jié)果如表1、表2所示。

5結(jié)論

根據(jù)表1和表2的測試結(jié)果可知：負(fù)載的變化對電流的影響很小，說明設(shè)計中恒流實現(xiàn)的很好。負(fù)載調(diào)整率SR不斷變化，但都達(dá)到≤4%的目標(biāo)。紋波電流為14mA，基本上達(dá)到輸出噪聲紋波電流≤15mA的目標(biāo)。而整機(jī)效率為86.7%，達(dá)到了整機(jī)效率≥80%的目標(biāo)。由此說明該電子負(fù)載的設(shè)計方案是可行的，具有優(yōu)良的精度、穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)，結(jié)合精確的軟件控制，快速和準(zhǔn)確地實現(xiàn)了電源測量。